Theorie Durchflusssensoren

Mithilfe von Durchflusssensoren, kann man die Durchflussrate eines Gases oder den Fluss einer Flüssigkeit messen.

Physikalisch gesehen bezeichnet der Durchfluss das Verhältnis aus der Menge des strömenden Mediums und der Zeit, in der diese Menge durch Querschnitt fliesst. Die Dimension des Durchflusses wird z.B. in m3/s oder l/s angegeben – je nach Grösse des Volumenstroms. Massenstrom und Volumenstrom sind über die Dichte verknüpft. Beim Volumenstrom ist zu beachten, dass auch Druck und Temperatur angegeben werden müssen, um eine korrekte Umrechnung zu gewährleisten. Ob nun Volumen- oder Massenstrom gemessen werden soll, ist anwendungsbedingt. Wird zum Beispiel Volumen verkauft, sollte volumetrisch gemessen werden. Wenn aber das Gewicht von Interesse ist wie beim Benzin, sollte der Massenstrom gemessen werden.

Jedes dieser Verfahren besitzt seine Vor- und Nachteile und ist meist für eine Anwendung prädestiniert, deshalb ist es von Anfang an wichtig sich für ein geeignetes Messverfahren zu entscheiden.

Durchflussmesser unterscheiden sich grundsätzlich von Mengenmessgeräten. Mengenmesser funktionieren, indem sie Teilvolumina des zu messenden Stroms abgrenzen, erfassen und zu einem Gesamtvolumen integrieren. Im Gegensatz dazu arbeiten Durchflusssensoren mit der indirekten Methode, welche über die Erfassung der Fliessgeschwindigkeit oder der Ermittlung der kinetischen Energie erfolgt. In diesem Beitrag werden eben diese Durchflusssensoren thematisiert. Die Variante der Messung über den Differenzdruck oder die Flow-Messung nach thermischen Prinzip sind dabei die wichtigsten Hauptverfahren.

Auswahlkriterien

Um Messfehler zu vermeiden, lohnt es sich bei der Auswahl eines geeigneten Messverfahrens sich vor allem folgende Aspekte anzusehen:

  • Strömungstechnische Eigenschaften
  • Einfluss der Messstoffeigenschaften (Temperatur, Viskosität) 
  • Einsatzspektrum und Grenzen bezogen auf den Messort
  • Leistungsvermögen der Messgeräte

Differenzendrucksensor

Der Massenstrom durch z.B. eine Rohrleitung kann auch mit einem Differenzendrucksensor gemessen werden. Dabei misst der Sensor die Differenz zweier Absolutdrücke, denn sogenannten Differenzdruck. Der Differenzdruck kann mithilfe verschiedener Technologien gemessen werden.

Piezoresistive Differenzdrucksensoren

Diese Differenzdrucksensoren basieren auf dem piezoresistiven Effekt. Der piezoresistive Effekt beschriebt die Veränderung des elektrischen Widerstands durch Druck oder Zug. Der Sensor besitzt ein Messelement aus einer dünnen Siliziummembran mit Widerständen angeordnet als Wheatstone-Brücke. Bei Druckausübung auf dieses Element dehnt es sich minimal aus und verändert dabei seinen elektrischen Widerstand. So wird die Wheatstone-Brücke mit einer elektrischen Spannung versorgt, und ein dem Druck entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.

Grafische Darstellung eines Differenzendrucksensors, zu sehen ist die Siliziummembran mit den eingebauten Widerständen. Durch Verformung der Membran bei Druckunterschieden wird anschliessend ein druckproportionales Messsignal erzeugt.

Thermische Flowsensoren

Thermische Massendurchflussmesser, auch kalorimetrischer Durchflussmesser genannt, basieren auf dem thermischen Prinzip. Grundsätzlich nützt das thermische Messprinzip den thermodynamischen Effekt aus, dass einem beheizten Körper durch das Vorbeiströmen eines Mediums Wärme entzogen wird.

Nun wird mithilfe zweier Temperatursensoren einerseits die Temperatur des Mediums gemessen und der zweite Sensor wird konstant beheizt und weist so eine konstante Temperaturdifferenz zum zweiten auf.

Sobald das Medium über das Sensorelement fliesst, kühlt der beheizte Temperatursensor durch das vorbeiströmende Medium ab und zwar umso stärker, je höher die Fliessgeschwindigkeit ist. Der zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz erforderliche Heizstrom ist somit ein direktes Mass für den Massedurchfluss. Also ist der Abkühlvorgang ein Mass für die Fliessgeschwindigkeit. Dies ist ersichtlich auf der Abbildung. Dieses Messprinzip wird oftmals auch als, Direktstrommessung oder CTA-Messprinzip bezeichnet. Hierbei ist CTA die Abkürzung für den englischen Begriff Constant Temperature Anemometry.

Die Vorteile dieser Technologie sind, dass keine Druck- oder Temperaturkompensation erforderlich ist. Somit ist diese Technik unabhängig von der Dichte des Mediums. Jedoch muss bei solchen Sensoren immer ein kleiner Fluss durch den Sensor vorhanden sein, da dieser aber durch Staub etc. verstopft werden kann, kann das zu Problemen führen. Dies kann aber mit einem vorgebauten Filter einfach verhindert werden.

Zu sehen sind die Anordnung der beiden Temperatursensoren und des Heizelementes. Die Temperaturdifferenz zwischen den Sensoren wird erfasst und ist proportional zum Massefluss. Dieses Messprinzip ist auch als CTA-Prinzip bekannt.

Ultraschall Durchflussmessung (USD)

Diese Methodik nutzt Schallwellen, um die Geschwindigkeit des strömenden Messstoffes zu messen. Am häufigsten verwendet wird das Prinzip der Laufzeitmessung. Hierbei ist es wichtig, dass das Medium möglichst homogen ist und nur einen geringen Feststoffanteil besitzt. Bei diesem Messverfahren werden zwischen zwei Messaufnehmern Ultraschall -Wellen gesendet. Wobei der Messaufnehmer sowohl als Schallempfänger wie auch als Schallaussender arbeitet. Dadurch das die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen gegen die Durchflussrichtung geringer ist als in Durchflussrichtung, entsteht eine Laufzeitdifferenz. Wenn diese Laufzeiten kontinuierlich gemessen werden, erhält man direkt proportional dazu die mittlere Fliessgeschwindigkeit. Dieses Verhalten ist auf der Abbildung illustriert.

Wenn man homogene Flüssigkeiten mit Partikel messen möchte, bedient man sich dem Doppler-Verfahren. Die ausgesendeten Schallwellen mit der Senderfrequenz f1 werden an Reflexionspunkten im Medium, was Partikel oder Gasblasen sein könnten, reflektiert. Die reflektierte Schallwelle trifft mit einer anderen Frequenz f2 auf das Empfängerelement. Nun beschreibt der Doppler-Effekt die Änderung der Frequenz, die auftritt, wenn sich die Schallquelle, also der Partikel an dem die Welle reflektiert wird, sich zu oder vom Empfänger fort- oder zubewegt. Somit kann die Fliessgeschwindigkeit mit Angaben zum Messaufbau und diesen Daten berechnet werden.

Vorteile der akustischen Durchflussmessung sind zum Beispiel, dass die Messung unabhängig von den Eigenschaften des zu messenden Mediums ist. Auch hat eine solcher Messaufbau einen geringen Wartungsaufwand schon nur dadurch, dass keine bewegten mechanischen Teile vorhanden sind. Ein Vorteil ist ebenso der grosse Messbereich.

Abgebildet ist das Prinzip der Laufzeitmessung, hierbei senden die Sonden Wellen aus und empfangen die reflektierten Wellen wieder. Aus der Laufzeitdifferenz der Wellen, kann anschliessend die mittlere Fliessgeschwindigkeit hergeleitet werden.

Magnetisch- Induktive Durchflussmessung (MID)

Magnetisch induktive Durchflussmesser eignen sich für die kontinuierliche Durchflussmessung. Jedoch muss das Medium eine elektrische Mindestleitfähigkeit aufweisen, da die Funktionsweise dieses Durchflussmessers auf dem Faraday’schen Induktionsgesetz basiert. Das Rohr wird dabei von einem von aussen erzeugtem Magnetfeld durchsetzt und die sich bewegenden elektrisch geladenen Teilchen der Flüssigkeiten erzeugen eine Induktionsspannung. Diese Spannung wird daraufhin von zwei Messelektroden abgegriffen und ist direkt proportional zur Fliessgeschwindigkeit und somit auch zum Durchflussvolumen. Das Magnetfeld wird Mithilfe von zwei Erregerspulen erzeugt. Der gesamte Messaufbau ist auf der Abbildung illustriert.

Dieses auf dem Induktionsgesetz basierende Messprinzip ist auch von Vorteil, dass es praktisch unabhängig von Druck, Dichte, Temperatur und Viskosität des zu messenden Mediums ist.

Aufbau eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers, zu sehen ist das Messrohr und der Magnet, welcher das Magnetfeld erzeugt. Die Elektroden in der Mitte eingezeichnet greifen die Spannung ab, aus diesem Messsignal kann daraufhin die Fliessgeschwindigkeit abgeleitet werden.

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